Bessere Batterien bedeuten bessere Produkte. Sie bieten uns langlebigere Smartphones, sorgenfreien Stromtransport und potenziell effizienteren Energiespeicher für große Gebäude wie Rechenzentren. Aufgrund der chemischen Prozesse und der Herausforderungen bei der Kommerzialisierung neuer Batteriedesigns schreitet die Entwicklung der Batterietechnologie jedoch nur langsam voran. Selbst die vielversprechendsten Batterieexperimente haben es immer noch unglaublich schwer, ihren Weg aus Forschungslabors in die Geräte zu finden, die wir bei uns haben.
Das hat die Leute nicht davon abgehalten, es zu versuchen. In den letzten Jahren haben Forscher und Technologen verschiedene Möglichkeiten vorgestellt, wie die Materialien in wiederaufladbaren Lithiumbatterien - wie sie derzeit in Ihrem Telefon verwendet werden - optimiert werden können, um die Batteriedichte und vor allem die Batteriesicherheit zu verbessern. Diese Technologien werden nicht rechtzeitig für die nächste große Produkteinführung auf den Markt kommen, aber wenn wir beobachten, wie unsere Telefone am Ende eines langen Tages den letzten Tropfen Strom verbrauchen, können wir von der Zukunft träumen.
Batterie-Grundlagen
Dank der komplexen Batterietechnologie haben selbst technisch versierte Menschen das Gefühl, dass sie einen Doktortitel in Chemie benötigen, um einen Sinn daraus zu ziehen. Hier ist also ein Versuch, ihn aufzubrechen. Die meisten tragbaren und tragbaren Elektronikgeräte verwenden Lithium-Ionen-Batterien, die aus einer Anode, einer Kathode, einem Separator, einem Elektrolyten, einem positiven Strom und einem negativen Strom bestehen. Die Anode und die Kathode sind die "Enden" der Batterie; Eine Ladung wird erzeugt und gespeichert, wenn sich die Lithiumionen (vom Elektrolyten getragen) zwischen den beiden Enden der Batterie bewegen.
Lithium-Ionen gelten nach wie vor als eine der leichtesten und effizientesten Batterielösungen. Aber da es nur so viel physikalische Energiedichte hat, gibt es Grenzen, wie viel Ladung es halten kann. Manchmal ist es auch gefährlich: Wenn etwas mit dem Separator schief geht und Elektroden miteinander in Kontakt kommen, erwärmt sich der Akku. Und flüssige Elektrolyte sind leicht entflammbar. Dies führt oft dazu, dass Batterien explodieren. "[Elektro-] Autounfälle, Samsung-Telefone - das sind meistens Probleme mit dem thermischen Durchgehen", sagt Partha Mukherjee, die an der Fakultät für Maschinenbau der Purdue University die Speicherung und Umwandlung von Energie erforscht.
Einige der Lösungen, an denen derzeit gearbeitet wird, führen alternative Materialien ein, die den Wirkungsgrad und die thermische Stabilität von Batterien erhöhen, z. B. die Verwendung von Siliziumnanopartikeln als Anode anstelle von üblicherweise verwendetem Kohlenstoffgraphit oder die Verwendung von Festelektrolyten anstelle von flüssigen.
Siliziumanode
Typischerweise werden Graphitanodenmaterialien in Lithiumionenbatterien verwendet. Aber mikroskopisch kleine Siliziumpartikel haben sich als effizienterer Ersatz für Graphit herauskristallisiert - und mindestens ein Unternehmen geht davon aus, dass diese Technologie im nächsten Jahr auf den Markt kommen wird.
"Ein Siliziumatom kann etwa 20-mal mehr Lithium speichern als Kohlenstoffatome", sagt Gene Berdichevsky, CEO von Sila Nanotechnologies in Kalifornien und früher Mitarbeiter von Tesla. "Im Wesentlichen werden weniger Atome benötigt, um das Lithium zu speichern, sodass Sie ein kleineres Materialvolumen haben können, das die gleiche Energiemenge speichert" wie ein typisches Graphitmaterial. Er sagte, Sila Nano werde Anfang nächsten Jahres sein erstes Batterieprodukt für den Verbrauchermarkt auf den Markt bringen. Zum Start erwartet Berdichevsky eine Verbesserung der Batterielebensdauer um 20 Prozent gegenüber herkömmlichen Lithium-Ionen-Batterien.
Andere haben bereits eine Siliziumanode als Lösung für die heutigen Batterieprobleme verfolgt; Es gibt ein ganzes Konsortium, das sich der Sache widmet, darunter die Argonne, Sandia und Lawrence Berkeley National Laboratories. Berdichevsky und Sila Mitbegründer und CTO Gleb Yushin sagen, was ihre Forschung auszeichnet, ist, dass sie glaubten, das "Expansions" -Problem gelöst zu haben. Silizium neigt zum Quellen und zerstört Batterien bei jeder Ladung. Die Technologie von Sila besteht darin, die mikroskopisch kleinen Siliziumpartikel in winzige kugelförmige Strukturen innerhalb der Batterie zu stecken, damit sich das Silizium ausdehnen kann.
Das mag nach einer einfachen Lösung klingen, aber Berdichevsky sagt, es sei alles andere als. "Wir haben sieben Jahre und 30.000 Iterationen in unserem Labor gebraucht, keine Übertreibung, um eine Methode zur Erstellung dieser Struktur zu entwickeln", sagt er. Berdichevsky sagt auch, dass die Herausforderung bei der Entwicklung von Batterietechnologien darin besteht, etwas zu schaffen, das "eine Sache nicht verbessert, während andere Dinge verschlimmert werden, was die Natur der Wissenschaft ist, weil es in einem Labor stattfindet."
Lithium-Metall
Mit Lithiummetall hergestellte Batterien haben einen guten Ruf: Kurz nachdem sie Ende der 1980er Jahre von Moli Energy kommerzialisiert wurden, verursachten sie genug Brände, um einen massiven Rückruf aller auf dem Markt befindlichen Zellen zu rechtfertigen. Aber Mukherjee von der Purdue University und andere behaupten, Lithium-Metall-Batterien hätten in den letzten fünf Jahren erneut Interesse gefunden. Es entstehen neue Konstruktionen, bei denen Lithiummetall anstelle von Graphit für den negativen Anodenteil der Batterie verwendet wird, wodurch die Batterie eine höhere Ladung halten kann.
Ein Großteil dieses Interesses an höher aufgeladenen Batterien ist auf das Wachstum von Elektroautos zurückzuführen. Wie ARPA-E-Forscher in diesem im vergangenen Dezember in Nature veröffentlichten Artikel feststellten, wird "die derzeitige Lithium-Ionen-Materialplattform" die Ziele des US-Energieministeriums für Elektrofahrzeuge in Bezug auf Gewicht, Energiedichte und Kosten bis 2022 voraussichtlich nicht erfüllen Zellen mit Lithium-Metall-Elektroden könnten die Energiedichte derselben Batterien um bis zu 50 Prozent erhöhen.
Letzte Woche veröffentlichten Forscher der Yale University einen Artikel in der Fachzeitschrift Proceedings der National Academy of Sciences, in dem ein neuer Ansatz für die Arbeit mit Lithiummetallelektroden beschrieben wurde. Hailaing Wang, der leitende Forscher, beschrieb es als "aggressiven Versuch, 80 bis 90 Prozent des Lithiums zu verbrauchen" in einer Batterie, die auch als Deep-Cycling bekannt ist. Vor dem Zusammenbau der Batterien tauchten die Forscher einen Glasfaserabscheider in eine Lithiumnitratlösung. Während die Batterien in Betrieb waren, wurde festgestellt, dass die langsame Freisetzung dieses Lithiumnitrats und seine Zersetzung "die Leistung von Lithiummetallelektroden erheblich verbessern".
Das größte Problem mit Lithiummetall ist jedoch, dass es immer noch extrem flüchtige Batterien gibt, die viel Wärme erzeugen. Wang und sein Team konnten erfolgreich demonstrieren, dass diese Kombination aus Technologie - Lithiummetall plus Schutzadditive - im Labor funktioniert. Der reale Gebrauch ist eine andere Sache. "Wir arbeiteten in geringem Umfang und die Bedingungen waren gut kontrolliert, so dass die Sicherheit kein Problem darstellte", sagte Wang am Telefon. Er beschrieb es als "guten Fortschritt, aber noch weit davon entfernt, kommerzialisiert zu werden".
Fester Zustand
Batterie-Winden verwenden manchmal "Festkörper" und "Lithiummetall" austauschbar, da sie sich auf verschiedene Teile einer Batterie beziehen können und innerhalb derselben Batteriestruktur koexistieren. Und wie Lithium-Metall haben auch Festkörperbatterien in den letzten Jahren aufgrund ihres möglichen Einsatzes in Elektrofahrzeugen zunehmend an Aufmerksamkeit gewonnen. Eine Festkörperbatterie ersetzt entweder die Elektroden der Batterie, ihren flüssigen Elektrolyten oder beides durch eine Art Feststoff wie Keramik oder Glas. Da Sie die leicht entflammbaren Materialien (waren Sie nicht froh, dass Sie zu Beginn des Unterrichts darauf geachtet haben?) Durch etwas Festes ersetzen, besteht die Idee darin, dass die Batterie höheren Temperaturen standhält, was theoretisch eine höhere Kapazität bedeutet.
Ein in Woburn, Massachusetts, ansässiges Unternehmen verfolgt einen etwas anderen Ansatz. Ionic Materials ersetzt den flüssigen Elektrolyten durch ein ionenleitfähiges Polymer oder einen Kunststoff, der auch feuerhemmend ist.
"Die Leute arbeiten an Variationen von Anoden und Kathoden, aber der eigentliche Block [für die Weiterentwicklung der Batterie] ist der Elektrolyt, den wir verbessern wollen", sagt Mike Zimmerman, CEO von Ionic Materials. Er stellte fest, dass Keramik und Glas spröde sein können und Gase abgeben können, wenn sie Feuchtigkeit ausgesetzt werden. Er ist daher der Ansicht, dass diese Feststoffe keine idealen Lösungen für Festkörperbatterien sind. Einer der Hauptinvestoren von Ionic Materials erklärte im vergangenen Jahr gegenüber Steven Levy von WIRED, das Unternehmen versuche, die besten Aspekte der kostengünstigen Alkalibatterien mit der Leistung und dem wiederaufladbaren Charakter von Lithiumionen zu kombinieren. Wenn das Unternehmen diese Formel knacken kann, kann es mit seiner Technologie sogar ein ganzes Smart Grid betreiben.
